单片机原理与应用：8 单片机系统扩展设计

1、1,第8章 单片机系统扩展设计,系统接口技术概述 存储器扩展技术 输入输出（I/O）和中断扩展技术,返回,2,单片机与片外并行器件接口设计有两个任务：硬件电路连接和软件编程 硬件接口就是解决三种总线的连接： 1）数据总线：片外器件的数据总线宽度不超过8位时，直接与单片机相连即可；大于8位时，需要分时来存取。 2）地址总线：先对片外器件分配地址，然后进行相应的硬件连接。 3）控制总线：根据片外器件工作的定时逻辑，利用单片机控制信号以及与I/O口线的组合，完成对器件的控制和读写操作。,返回,MCS-51单片机并行接口基本方法,ALE,PSEN,EA,RD、WR,3,地址总线（AB） 地址总线由P0

2、口提供 低8位地址A0-A7 P2口提供高8位地址A8-A15。 说明： 1） P0口是地址总线低8位和8位数据总线复用口，只能分时用作地址线。 2） P0口输出的低8位地址A0-A7必须用锁存器锁存。在ALE的下降沿将P0口输出的地址A0-A7锁存。 3）P0、P2口在系统扩展中用做地址线后便不能作为一般I/O口使用。 由于地址总线宽度为16位，故可寻址范围为64 KB,4,数据总线（DB） 数据总线由P0口提供，用D0D7表示。 P0口为三态双向口，是应用系统中使用最为频繁的通道。所有单片微机与外部交换的数据、指令、信息，除少数可直接通过P1口外，全部通过P0口传送。 数据总线是并连到多个

3、连接的外围芯片的数据线上，哪个芯片的数据通道有效，则由地址线控制各个芯片的片选线来选择。,5,80C51系列单片微机的三总线结构,6,单片机控制信号线 ALE输出，地址锁存，锁存P0口输出的低8位地址信号 PSEN 输出， 程序存储器选通允许 EA 输入，外部访问，选择片内或片外程序存储器 ,EA=1片内ROM, EA=0片外ROM RD、WR 输出，读/写，用于访问片外数据存储器的读写控制,7,常用的串行总线有 Motorola公司的SPI（Serial Peripheral Interface）总线 Philips公司的I2C（Inter-Integrated Circuit） Natio

4、nal Semiconductor公司的MICROWIRE总线 现场总线CAN（Controller Area Network）总线等。,串行总线的类型,返回,8,SPI(外围设备接口）总线接口,返回,SPI三线总线结构是一个同步外围接口，允许MCU与各种外围设备以串行方式进行通信 。 全双工、三线同步传送； 主、从机工作方式； 可程控的主机位传送频率、时钟极性和相位； 发送完成中断标志； 写冲突保护标志。 按要求连接SCLK、MOSI/MISO、SS三根线，即可通过SPI扩展各种I/O功能,9,串行数据线（MISO、MOSI） 1.主机输入从机输出数据线（MISO）和主机输出从机输入数据线（

5、MOSI），用于串行数据的发送和接收。 2.数据发送时先传送MSB（高位），后传送LSB（低位）。 SPI设置为主机方式时，MISO线是主机数据输入线，MOSI是主机数据输出线； SPI设置为从机方式时，MISO线是从机数据输出线，MOSI是从机数据输入线。,SPI总线引脚描述,主机MOSI MISO,MOSI 从机 MISO,10,串行时钟线（SCLK） 用于同步从MISO和MOSI引脚输入和输出数据的传送。 SPI设置为主机方式时，SCLK为输出； SPI设置为从机方式时，SCLK为输入。 工作过程：在SPI设置为主机方式时，主机启动一次传送时，自动在SCLK脚产生8个时钟周期。主机和从机

6、SPI器件中在SCLK信号的一个跳变时进行数据移位，数据稳定后的另一个跳变时进行采样。,11,从机选择输入（SS） 1. 在从机方式时，输入端，用于使能SPI从机进行数据传送； 2.在主机方式时， 一般由外部置为高电平。 通过SPI可以扩展各种I/O功能，包括：AD、DA、实时时钟、RAM、EEPROM及并行输入输出接口等。,12,单片机的SPI总线接口,利用方式0实现简化的SPI同步串行通信功能，RXD（P3.1）作为MOSI/MISO，TXD（P3.0）作为SCLK 特点： 1.SCLK极性和相位关系固定，传送速率固定，不能编程改变 2.无从机选择输入（SS）端 3.输入输出同一条线用软件

7、设置数据传送方向 4.传送数据位的顺序先低位，后高位。,13,I2C(内置集成电路）总线接口,返回,1. I2C总线是两线协议，在器件之间使用两根信号线（SDA和SCL）进行信息串行传送，并允许若干兼容器件共享。 2.SDA线称为串行数据线，传输双向的数据； SCL线称为串行时钟线，传输时钟信号，用来同步串行数据线上的数据。 3.I2C总线上的数据传送速率可达100kb/s以上 。,14,I2C总线,返回,上拉电阻，集电极（漏极）开路结构,15,挂接在I2C 总线上的器件有两种： 主控器件和从控器件 主控器件： 控制总线存取 产生串行时钟（SCL）信号 并产生启动传送及结束传送的器件 总线必须

8、由一个主控器件（主器件）控制 从控器件（从器件）： 在总线上被主控器件寻址的器件 根据主控器件的命令来接收和发送数据 I2C 总线系统是一允许多主的系统 器件有四种可能的工作方式： 主发送方式、主接收式、从发送方式和从接收方式。,16,I2C总线实现的主要功能,返回,在主控器件和从控器件之间双向传送数据； 构成无中央主控器件的多主总线； 多主传送时，不发生错误； 数据传送可以使用不同的位速率； 串行时钟作为交接信号。,17,主器件：启动总线上传送数据 产生时钟以开放传送的器件，此时被寻址的器件为从器件。 当总线空闲时，SDA和SCL均为高电平。 仅在总线空闲时，才能开始数据传输。 每次数据传送

9、由起始信号启动，由停止信号终止,I2C总线的数据传输协议,返回,总线不忙,START,STOP,18,数据以字节为单位，高位在先。 主器件发送的第一个字节为从地址 其中高7位为器件地址的片选信号 最低位是决定数据传送方向的方向位 R/W=1表示主器件读，R/W=0表示写。 从器件每收到一个数据字节，必须返回1个低电平应答信号（Acknowledge），表示为ACK或A=0；,I2C总线的数据传输协议,返回,19,主器件在收到从器件发送的每个字节之后，也必须产生一个应答信号。 在执行读操作、接收最后一个字节后，主接收器不发送ACK=0，发一个高电平信号，表示为NO ACK.此时，从发送器让出SD

10、A线，使其成为高电平，以使主器件发送停止条件。 SDA线上总线竞争可能在地址或数据位上进行，此时发送电平与SDA总线不对应的器件会自动关掉输出级。总线控制完全由竞争的主器件送出的地址和数据决定。,I2C总线的数据传输协议,返回,20,SPI和I2C总线的比较,21,SPI和I2C总线使用场合 二线产品用于要求I2C总线、抗噪声性能、微控制器的I/O口线受限制的场合，或要求一条指令将多个字节存入写缓冲器的场合 三线总线SPI规程适用于高时钟频率要求，或 I6位数据宽度的应用场合。 二种串行通信总线都采用单电源(2-2.5V) 供电，都具有低电流、低功耗、价格低廉等特点。,22,I2C总线器件间总

11、线简单，可扩展性好。 在集成了I2C总线的单片机中，可以直接用I2C总线来进行系统的串行扩展； 51系列单片机，大多数没有I2C总线接口功能，可采用软件模拟双向数据传送协议的方法，来实现系统的串行扩展。 基于I2C总线的系统中，单主结构占绝大多数，没有总线竞争与同步问题，只有作为主器件的单片机对I2C总线器件的读/写操作,单片机的I2C总线接口几点说明：,23,通常把半导体存储器分为易失性存储器和非易失性存储器 1）EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM）或E2PROM：电可擦除可编程ROM。 2）Flash Memory：Intel和Tos

12、hiba公司20世纪80年代首先推出的可快速擦写ROM。 3）BBSRAM（Battery Backed SRAM）：Dallas Semiconductor公司的电池后备供电的静态存储器，掉电后信息可保存10年。 4）FRAM（Ferroelectric RAM）：Ramtron公司研制的铁电存储器。（100亿1亿亿次写）,存储器扩展技术,24,1）集成度不断提高、容量不断增大。基于亚微米级工艺的DRAM芯片容量已达到Gbit数量级。 2）存取速度不断提高。一般把存取时间小于35ns的存储器称为高速存储器，目前SRAM的存取时间可达到1ns。 3）低电压和低功耗。低电压存储器采用的工作电压有

13、3-3.3V、2.5V、1.5-1.8V甚至低于1V。 4）存储器带有串行总线接口，可大大减少芯片间接线。,存储器发展趋势,25,MCS-51单片机扩展存储器： 按照总线连接方式可分为并行扩展和串行扩展。 基本方法是： 按照单片机和不同存储器芯片的时序，来完成硬件连接和软件编程。 存储器的基本操作控制： 片选控制和读写操作控制。,存储器扩展的基本方法,26,串行接口扩展： 通常采用I/O口来选择相应的存储器，地址信息包含在串行协议中。 采用并行接口时，片选的方法有 线选法：如果芯片数较少，只需要用单片机的高位地址线分别接到各个芯片的片选端即可。这样不需另加电路，但地址空间可能是不连续的。 译码

14、选通法：在扩展芯片数目较多或要求连续的地址空间时，采用译码器来译码产生片选信号。 单片机并行扩展时，高位地址线可能有空闲（P2口高位），但已不适宜简单地作I/O线使用。,存储器片选控制,27,扩展片外数据存储器（64KB)的电路,EA=0只能选则片外程序存储器 EA=1选择片内，超出片内再选片外,28,扩展片外程序存储器(64KB)的电路,29,扩展片外程序和数据存储器,例：1.8031单片机利用6264（8K*8)扩展64KB2.扩展2KB用6116（2K*8)片内地址A0-A10,地址范围0000H-07FFH3.扩展16KB用6264 （8K*8),两片6264，片内地址A0-A13,3

15、0,31,采用串行扩展16kB存储器,利用软件方真实现I2C,可挂接8片,FM24C64是采用先进的铁电技术制造的非易失性 高速写，高擦写次数,模拟I2C总线的软件编程,基本方法： 用软件分别控制SCL、SDA，达到模拟串行协议效果。 程序包括： 发送开始条件、发送停止条件、发送应答位、检查应答位、单字节数据发送和接收。 设：单片机晶体振荡频率为6MHz， 机器周期为2us。,32,33,对输入/输出口功能的扩展，可以利用简单的TTL电路或MOS电路，也可以使用结构较为复杂的可编程接口芯片。 TTL电路有54系列军品级器件、民品74LS系列；MOS中常用CMOS电路，如74HC系列。 典型的可

16、编程接口是Intel公司及其兼容的接口芯片： 可编程并行接口（8155、8255） 可编程通用同步/异步通信接口（8251） 可编程定时器/计数器（8253） 可编程中断控制器（8259） 可编程键盘显示接口（8279）等,并行扩展I/O接口,34,I/O口与片外RAM统一编址,把扩展的I/O口挂接在片外数据存储器空间，因而，I/O口的输入、输出指令也就是片外数据存储器的读/写指令。 特点：数据传输利用的是P0口，因此扩展接口均是8位口，传输数据简单,35,利用I/O口线来选择I/O和存储器,一般通过P1口的I/O口线来选择外部I/O或RAM。 CPU的地址、数据和读写信号对于I/O和RAM是

17、等同的，但通过P1口线状态的不同可以把二者区分开来。,36,串行接口有多种总线和丰富的接口芯片，以PHILIPS公司I2C总线8位远程I/O扩展器PCF8574为例，说明I2C总线扩展I/O接口的方法。,串行扩展I/O接口,37,循环扫描程序 调开始条件 10.调开始 2. 设置8574读方式 11.设置8574写方式 3. 调主器件发控制字节 12. 调主器件发控制字节 4. 调检查应答位 13. 调检查应答位 5.有错，转处理错 14.有错，转处理错 6.调读开关状态数据 15.取出数据低4位 7. 暂存 16.调主器件发数据字节 8.读结束，主器件发NOACK 17.有错，转处理错 9.调停止条件 18.调停止条件 19.循环,38,当单片机系统外部中断源超过2个时，可以利用82C59中断控制器来扩展，或将这些外部中断源利用OC门进行“线或”后，接到单片机的外部中断请求输入端（或），就可完成扩展。,外部中断源的扩展,39,例：扩展16K *8位片外程序存储器 在电路中 EA 是接高电平的。27128A是16KB容量的EPROM，所以用到了14根地址线A0-A13。系统中只扩展了一片程序存储器，所以27128A的片选端可直接接地，一直有效。,40,41,在图中，采用线选法寻址。 当 P2. 7=0时访问片(